第2章-转化率和反应器的尺寸课件

前章内容回顾前章内容回顾刘华彦刘华彦(,665980) 7/8/20241通用摩尔衡算方程通用摩尔衡算方程+反应器流动混合特性反应器流动混合特性 7/8/20242浙江工业大学化材学院 刘华彦通用的摩尔衡算方程通用的摩尔衡算方程反应器流动特性反应器流动特性 (B.R.,CSTR,PFR,PBR)反应动力学：反应动力学：-rA (Ci,T)化学计量学化学计量学:CiCj求解方程求解方程预测反应器出口浓度预测反应器出口浓度设计反应器大小设计反应器大小7/8/20243浙江工业大学化材学院 刘华彦第第2 2章章转化率和反应器的尺寸转化率和反应器的尺寸Conversion and Reactor SizingConversion and Reactor Sizing7/8/20244浙江工业大学化材学院 刘华彦本章主要内容本章主要内容定义转化率定义转化率X给出由转化率给出由转化率X表示的设计方程表示的设计方程利用设计方程及给定的利用设计方程及给定的-rAX关系关系，确定反确定反应器应器(CSTR、PFR)的大小的大小7/8/20245浙江工业大学化材学院 刘华彦2.1 转化率的定义转化率的定义 Definition of Conversion对通用反应对通用反应 a A+b B c C+d D选择选择有限的有限的反应组分反应组分A作为计算基准作为计算基准其它组分的量均以其它组分的量均以“每摩尔每摩尔A”为基准为基准7/8/20246浙江工业大学化材学院 刘华彦2.1 转化率的定义转化率的定义转化率转化率X进入体系的每摩尔进入体系的每摩尔A中中已反应掉已反应掉组分组分A的摩尔数的摩尔数简记：简记：XXA7/8/20247浙江工业大学化材学院 刘华彦2.2 设计方程设计方程Design Equations2.2.1 间歇系统间歇系统2.2.2 流动系统流动系统7/8/20248浙江工业大学化材学院 刘华彦2.2.1 间歇系统间歇系统Batch Reactor Design Equation间歇系统中：间歇系统中：X=f(t)经过反应时间经过反应时间t后后:7/8/20249浙江工业大学化材学院 刘华彦2.2.1 间歇系统间歇系统反应器中反应器中A的摩尔数的摩尔数NAA组分的摩尔衡算组分的摩尔衡算7/8/202410浙江工业大学化材学院 刘华彦2.2.1 间歇系统间歇系统变体积间歇反应器变体积间歇反应器应用初始条件：应用初始条件：t=0，X=0积分积分7/8/202411浙江工业大学化材学院 刘华彦2.2.1 间歇系统间歇系统恒体积间歇反应器恒体积间歇反应器7/8/202412浙江工业大学化材学院 刘华彦问题：问题：7/8/202413浙江工业大学化材学院 刘华彦2.2.2 流动系统流动系统Design Equations for Flow ReactorsA组分的摩尔流率组分的摩尔流率:FA0反应掉的反应掉的A组分的摩尔流率为组分的摩尔流率为FA0X 7/8/202414浙江工业大学化材学院 刘华彦2.2.2 流动系统流动系统离开系统的离开系统的A组分的摩尔流率组分的摩尔流率FA 7/8/202415浙江工业大学化材学院 刘华彦2.2.2 流动系统流动系统FA0(mol/s)CA0(mol/L)v0(L/s)关系：关系：对液相体系，对液相体系，CA0：摩尔浓度：摩尔浓度对理想气体对理想气体7/8/202416浙江工业大学化材学院 刘华彦例例2-1 用理想气体定律计算用理想气体定律计算 CA0由由 50A和和50惰性气体惰性气体组成的混合物在组成的混合物在10atm(1013kPa)和和300(422.2K)时以时以 6 L/s 的流率进入反应器。计算的流率进入反应器。计算A的入口浓度的入口浓度CA0和入口摩尔流率和入口摩尔流率FA0。理想气体常数为理想气体常数为 R0.082 L atm/(molK)7/8/202417浙江工业大学化材学院 刘华彦解：对理想气体解：对理想气体A的摩尔浓度的摩尔浓度入口的摩尔流率入口的摩尔流率FA07/8/202418浙江工业大学化材学院 刘华彦2.2.2 流动系统流动系统CSTR或返混反应器或返混反应器 组分组分A 的摩尔衡算的摩尔衡算7/8/202419浙江工业大学化材学院 刘华彦2.2.2 流动系统流动系统CSTR或返混反应器或返混反应器达到转化率达到转化率 X所必需的所必需的 CSTR 体积体积反应速率按出口条件进反应速率按出口条件进行估算行估算7/8/202420浙江工业大学化材学院 刘华彦2.2.2 流动系统流动系统管式流动反应器（管式流动反应器（PFR）反应组分反应组分A的摩尔衡算方程的摩尔衡算方程设计方程设计方程7/8/202421浙江工业大学化材学院 刘华彦2.2.2 流动系统流动系统管式流动反应器管式流动反应器（PFR）达到指定转化率达到指定转化率X时所需时所需的活塞流反应器体积的活塞流反应器体积7/8/202422浙江工业大学化材学院 刘华彦2.2.2 流动系统流动系统填充床反应器（填充床反应器（PBR）类似于类似于PFRI.C.:m0 时，时，X07/8/202423浙江工业大学化材学院 刘华彦用转化率表示的反应器设计方程的用转化率表示的反应器设计方程的微分和积分形式微分和积分形式反应器反应器微分形式微分形式代数形式代数形式积分形式积分形式间歇反应器间歇反应器CSTRPFRPBR7/8/202424浙江工业大学化材学院 刘华彦2.3 连续流动反应器设计方程的应用连续流动反应器设计方程的应用Applications of the Design Equations for Continuous-Flow Reactors 设计方程求解的关键：设计方程求解的关键：-rA X 的关系！的关系！反应动力学反应动力学7/8/202425浙江工业大学化材学院 刘华彦2.3 连续流动反应器设计方程的应用连续流动反应器设计方程的应用举例举例等温气相分解反应等温气相分解反应 AB+C表表2-1：-rAX 数据。数据。温度为温度为 300(422.2K)，总压为，总压为10atm(1013kPa)，初始的进料为，初始的进料为 A 和惰性气体各占和惰性气体各占 50的混合物的混合物 7/8/202426浙江工业大学化材学院 刘华彦表表2-1 原始数据原始数据 X-rA/mol/(L s)X-rA/mol/(L s)0.00.00530.50.00330.10.00520.60.00250.20.00500.70.00180.30.00450.80.001250.40.00400.850.001007/8/202427浙江工业大学化材学院 刘华彦表表2-2 经过处理的数据经过处理的数据X0.00.10.20.30.4-rA/mol/(ls)0.00530.0052 0.0050 0.00450.00401/(-rA)/ls/mol189192200222250X0.50.60.70.80.85-rA/mol/(ls)0.00330.0025 0.0018 0.00125 0.00101/(-rA)/ls/mol30340055680010007/8/202428浙江工业大学化材学院 刘华彦图图2-1 经过处理的数据图经过处理的数据图7/8/202429浙江工业大学化材学院 刘华彦例例2-2 确定确定CSTR反应器的尺寸反应器的尺寸 用表用表2-2或图或图2-1中的数据，计算中的数据，计算CSTR中转中转化率达到化率达到80时所需的体积。时所需的体积。图图E2-2.1中的阴影面积乘以中的阴影面积乘以FA0后将给出达后将给出达到到 80转化率转化率(即即X0.8)时需要的时需要的CSTR反反应器体积。应器体积。7/8/202430浙江工业大学化材学院 刘华彦图图 E2-2.1 7/8/202431浙江工业大学化材学院 刘华彦解：入口条件为解：入口条件为v0 6L/s，p010atm，yA00.5，T0422.2K组分组分A的入口摩尔流率的入口摩尔流率a）CSTR设计方程设计方程-rA为出口转化率为出口转化率X下的反应速率下的反应速率7/8/202432浙江工业大学化材学院 刘华彦根据表根据表2-2或图或图2-1，当，当X=0.8 时，有时，有7/8/202433浙江工业大学化材学院 刘华彦b）CSTR反应器的体积反应器的体积转化率转化率80时，时，CSTR体积为体积为555L7/8/202434浙江工业大学化材学院 刘华彦例例2-3 确定确定PFR反应器的尺寸反应器的尺寸 由表由表2-1和表和表2-2中数据描述的反应在中数据描述的反应在PFR反反应器中进行。入口摩尔流率应器中进行。入口摩尔流率5mol/s。计算达。计算达到到80转化率时转化率时PFR反应器体积反应器体积用附录用附录A.4给出的积分公式计算给出的积分公式计算 VPFR将图将图2-1阴影的面积乘以阴影的面积乘以FA0后即为后即为 VPFR 定性做出转化率定性做出转化率X和反应速率和反应速率rA沿反应器长沿反应器长度（体积）变化的草图度（体积）变化的草图。7/8/202435浙江工业大学化材学院 刘华彦7/8/202436浙江工业大学化材学院 刘华彦7/8/202437浙江工业大学化材学院 刘华彦解解:a)PFR反应器反应器当当X=0.80时，步长时，步长X0.2 的五点二次公式积分的五点二次公式积分7/8/202438浙江工业大学化材学院 刘华彦b)上述积分为上述积分为(1/-rA)X曲线下的面积曲线下的面积 X=80时，阴影面积约时，阴影面积约为为 260(Ls/mol)FA0=0.867mol/s，X=80时时,V PFR=225L 7/8/202439浙江工业大学化材学院 刘华彦(c)作作-rA和和X沿反应器长度变化的简图。沿反应器长度变化的简图。当当X=0.2 时，用步长为时，用步长为X=0.1的的 Simpson法计算法计算相应的反应器体积相应的反应器体积 7/8/202440浙江工业大学化材学院 刘华彦X=0.4依此类推，得到依此类推，得到 表表 E2-3.1 转化率分布转化率分布V/L033.471.6126225X00.20.40.60.80.00530.0050.0040.00250.001257/8/202441浙江工业大学化材学院 刘华彦7/8/202442浙江工业大学化材学院 刘华彦例例2-4 比较比较CSTR和和PFR大小大小 利用图利用图2-1中的数据去研究为达到中的数据去研究为达到60的转的转化率，比较化率，比较CSTR反应器或反应器或 PFR反应器，哪反应器，哪种所需的体积较小种所需的体积较小两种情形中进两种情形中进 料条件相同，入口摩尔流率为料条件相同，入口摩尔流率为5mol/s 7/8/202443浙江工业大学化材学院 刘华彦解解:对对CSTR反应器反应器达到达到60转化率时转化率时7/8/202444浙江工业大学化材学院 刘华彦对活塞流（管式）反应器对活塞流（管式）反应器达到达到60转化率时转化率时7/8/202445浙江工业大学化材学院 刘华彦FA0相同时，相同时，X=0.6时，时，VPFRVCSTR(下图下图)对于对于反应级数大于零反应级数大于零的的等温等温反应，上述结反应，上述结果总成立果总成立7/8/202446浙江工业大学化材学院 刘华彦反应器型式反应器型式返混程度返混程度浓度水平浓度水平适宜反应类型适宜反应类型BRPFRPBR0高高反应级数大于反应级数大于0CSTR低低反应级数小于反应级数小于07/8/202447浙江工业大学化材学院 刘华彦2.4 反应器串联反应器串联Reactors in Series转化率转化率X为进入第一个反应器的每摩尔组分为进入第一个反应器的每摩尔组分A，在达到某一位置时反应掉的组分，在达到某一位置时反应掉的组分A 的总的总摩尔数摩尔数这一定义只适用于这一定义只适用于没有侧线抽出没有侧线抽出，且，且原料只进原料只进入入串联反应器中的串联反应器中的第一个反应器第一个反应器情况情况7/8/202448浙江工业大学化材学院 刘华彦7/8/202449浙江工业大学化材学院 刘华彦第一个第一个PFR，体积，体积V1中间中间CSTR第三个第三个PFR7/8/202450浙江工业大学化材学院 刘华彦例例2-5 串联串联CSTR反应器体积比较反应器体积比较 两个串联的两个串联的CSTR反应器的总体积是多少？反应器的总体积是多少？（FA20.2FA0。）。）7/8/202451浙江工业大学化材学院 刘华彦解解:FA00.867mol/s反应器反应器1，当，当X10.4时时,反应器反应器2，当，当X20.8时，时，7/8/202452浙江工业大学化材学院 刘华彦2-CSTR串联总体积为串联总体积为 V1+V2364L单个单个 CSTR的体积为的体积为7/8/202453浙江工业大学化材学院 刘华彦例例2-6 串联活塞流反应器的尺寸串联活塞流反应器的尺寸 计算两个串联计算两个串联PFR的体积的体积V1和和V2。入口摩。入口摩尔流率为尔流率为0.867mol/s7/8/202454浙江工业大学化材学院 刘华彦解解:使用使用Simpson法计算积分法计算积分1#PFR：X0=0,X1=0.2,X2=0.4,且且X0.27/8/202455浙江工业大学化材学院 刘华彦2#PFR:总体积为总体积为 V1+V2225L 使用一个使用一个PFR与两个与两个PFR串联并无实质性的变化；串联并无实质性的变化；达到相同转化率所需的反应器总体积相同达到相同转化率所需的反应器总体积相同7/8/202456浙江工业大学化材学院 刘华彦其它的排布方式：其它的排布方式：CSTR与与PFR串联串联 每个反应器的尺寸确定，每个反应器的尺寸确定，CSTR在前在前或或PFR在前的最终转化率在前的最终转化率 X2 不同不同中间及出口转化率指定，反应器体积中间及出口转化率指定，反应器体积及其加和值对不同的排列顺序也不同及其加和值对不同的排列顺序也不同 7/8/202457浙江工业大学化材学院 刘华彦例例2-7 比较反应器的排布顺序比较反应器的排布顺序 当当X1=50,FA00.867 mol/s时，计算图中时，计算图中单个反应器的体积以及反应器的总体积单个反应器的体积以及反应器的总体积7/8/202458浙江工业大学化材学院 刘华彦解：解：图图APFR反应器反应器CSTR反应器反应器VtotalV1+V2305L X1=0.57/8/202459浙江工业大学化材学院 刘华彦图图BCSTR反应器反应器PFR反应器反应器VtotalV1+V2 262L 7/8/202460浙江工业大学化材学院 刘华彦7/8/202461浙江工业大学化材学院 刘华彦2.5 更多的定义更多的定义 相对反应速率相对反应速率对反应对反应7/8/202462浙江工业大学化材学院 刘华彦2.5 更多的定义更多的定义空时空时(space time)反应器体积除以反应器的入口体积流率反应器体积除以反应器的入口体积流率 基于入口条件基于入口条件处理整个反应器体积的流体所必处理整个反应器体积的流体所必需的时间需的时间也称为保持时间或平均停留时间也称为保持时间或平均停留时间7/8/202463浙江工业大学化材学院 刘华彦Typical Space Time for Industrial ReactorsReactor TypeMean Residence Time RangeProduction CapacityBatch15min to 20hFew kg/day to 100,000 tons/yearCSTR10min to 4h10 to 3,000,000 tons/yearTubular0.5s to 1h50 to 5,000,000 tons/year7/8/202464浙江工业大学化材学院 刘华彦Sample Industrial Space TimeReactionReactorTPatmSpace TimeC2H6C2H4+H2PFR86021sCH3CH2OH+CH3COOH CH3CH2COOCH3+H2OCSTR100 12hCatalytic crackingPBR490201s400sC6H5CH2CH3C6H5CH=CH2+H2PBR60010.2sCO+H2O CO2+H2PBR300264.5sC6H6+HNO3C6H5NO2+H2OCSTR50120min7/8/202465浙江工业大学化材学院 刘华彦2.5 更多的定义更多的定义空时空时PFR设计方程设计方程CSTR设计方程设计方程7/8/202466浙江工业大学化材学院 刘华彦2.5 更多的定义更多的定义PFR设计方程改写成设计方程改写成CA的形式的形式7/8/202467浙江工业大学化材学院 刘华彦2.5 更多的定义更多的定义CSTR设计方程改写成设计方程改写成CA的形式的形式7/8/202468浙江工业大学化材学院 刘华彦2.5 更多的定义更多的定义恒定体积等温反应恒定体积等温反应7/8/202469浙江工业大学化材学院 刘华彦2.5 更多的定义更多的定义空速（空速（SV）(space velocity)定义为定义为空时和空速这两个量的定义上是空时和空速这两个量的定义上是有差别的有差别的 空时用的是在入口条件下测量的体积流率空时用的是在入口条件下测量的体积流率空速常常用到其他条件下测定的体积流率空速常常用到其他条件下测定的体积流率 LHSV液体小时空速，液体小时空速，h-1 GHSV气体小时空速，气体小时空速，h-1(在标准标况下在标准标况下)7/8/202470浙江工业大学化材学院 刘华彦小小 结结 1.本章有三方面的内容：本章有三方面的内容：定义了转化率定义了转化率X，给出了用，给出了用X表示的摩尔衡算方程表示的摩尔衡算方程将将rA表示成转化率的函数，可以确定反应器尺表示成转化率的函数，可以确定反应器尺寸，或者在给定反应器尺寸时，计算转化率寸，或者在给定反应器尺寸时，计算转化率利用化学计量方程，关联了反应物和产物的相对利用化学计量方程，关联了反应物和产物的相对反应速率反应速率7/8/202471浙江工业大学化材学院 刘华彦小小 结结2.对于反应对于反应相对反应速率可以表示为相对反应速率可以表示为7/8/202472浙江工业大学化材学院 刘华彦小小 结结3.转化率转化率X是进料中每摩尔组分是进料中每摩尔组分A被反应掉被反应掉的摩尔数的摩尔数 间歇系统间歇系统 连续系统连续系统 7/8/202473浙江工业大学化材学院 刘华彦小小 结结4.对于无中间抽出或多股进料的连串反应器，对于无中间抽出或多股进料的连串反应器，设计方程的计算可以通过用转化率代表达设计方程的计算可以通过用转化率代表达到串联反应器中某一特殊位置时被反应掉到串联反应器中某一特殊位置时被反应掉的总摩尔数而进行简化的总摩尔数而进行简化7/8/202474浙江工业大学化材学院 刘华彦小小 结结5.用转化率表示的反应器设计方程用转化率表示的反应器设计方程反应器反应器微分形式微分形式代数形式代数形式积分形式积分形式间歇反应器间歇反应器CSTRPFRPBR7/8/202475浙江工业大学化材学院 刘华彦小小 结结6.用图解法可确定用图解法可确定 CSTR或或PFR的尺寸的尺寸 7/8/202476浙江工业大学化材学院 刘华彦小小 结结PFR反应器的积分形式也可由下式计算反应器的积分形式也可由下式计算7/8/202477浙江工业大学化材学院 刘华彦小小 结结对无侧线流对无侧线流(或中间抽或中间抽出出)的串联反应器，转的串联反应器，转化率为达到某一指定位化率为达到某一指定位置时的总转化率。置时的总转化率。反应器体积可由图示反应器体积可由图示的的 LevenspielLevenspiel 曲线曲线下的面积确定下的面积确定 7/8/202478浙江工业大学化材学院 刘华彦小小 结结7、空时、空时和空速和空速SV由下式给出由下式给出在计算空速时，入口体积流率通常指标准温度在计算空速时，入口体积流率通常指标准温度和压力下的数值和压力下的数值 7/8/202479浙江工业大学化材学院 刘华彦小小 结结8.其它定义：其它定义：LHSV液体小时空速，液体小时空速，h-1GHSV气体小时空速，气体小时空速，h-1(在标准标况下在标准标况下)7/8/202480浙江工业大学化材学院 刘华彦p经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量pStudyConstantly,AndYouWillKnowEverything.TheMoreYouKnow,TheMorePowerfulYouWillBe写在最后谢谢大家荣幸这一路，与你同行ItS An Honor To Walk With You All The Way演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日